早期建设的中小型水电站，由于技术水平相对较低，且需要承担除发电外的防洪、灌溉等任务。随着设备设施老化，能效降低，不仅浪费水资源，还有安全隐患。对这些已建成且有改造潜力的中小型水电站进行增效扩容改造，具有相当显著的优势。
1现状
截止2014年全国水电达到30183万千瓦，仅次于火电。中小型水电站是大型水电站的有力补充，我国除在建和已建成的大型水电工程外，今后水电发展的主力将是中小型水电站，对于破解能源困局有着十分重要的作用。当前部分地区力求整合水电资源，突破能源困局，比如湖南，2016年6月成立湖南水电企业协会，致力于破解湖南水电数量多、规模小、市场需要规范等问题。湖南水资源丰富，在江南九省中排名第一。目前湖南已建成中小型水电站4800多座，数量居全国第三，装机总容量居全国第五，很多水电站需要承担发电、防洪、灌溉、供水等综合利用任务。有些地方则在控制中小型水电站建设，如四川2016年10月出台《关于进一步加强和规范水电建设管理意见》，调整水电开发时序，严格河流规划审批权限，严格控制水电项目核准，将全面停止不具有航运等综合利用为主、兼顾发电的项目，其余单站装机容量5万千瓦以下小型水电站则不再核准建设，已建成的不再扩容。这可能是由于受到我国水资源分布的限制所致。但从另一个角度来看，说明我国中小型水电站在水电行业存在比较多的问题，需要加强规范。而对于一些受能源制约经济发展的地区，就需要找到有改造潜力的中小型水电站，进行增效扩容改造。以便能够提高水资源利用率，调整能源结构以及节能减排，为节约型社会建设做出一定贡献，最主要的是保护河流生态。
2改造方法
水电站发电机组中水轮机是核心设备之一，它是将水能转化成机械能的关键设备。水轮机性能直接影响水电站利用水资源的效率以及运行的安全稳定性。所以在增效扩容改造中水轮机技术改造是重点。
虽然水电站增效扩容改造同样需要经过设计到施工，再到验收这么一个过程，但与新建水电站有着很大区别，主要就是因为改造会受到很多因素限制，所以对于水轮机增效扩容改造来说，一般可遵循如下步骤。
第一步，了解现场条件。包括测量水轮机配合尺寸、查看原水轮机结构图纸以及所有的变化、基建情况、部件情况、引水系统结构、导水机构结构、导叶调节范围、水量、机组运行特点以及方式、电价等等。
第二步，分析需要改造的水轮机的问题，根据现场条件进行研究分析，包括参数、材质、选型等各个方面，然后针对这些问题形成初步方案。这里涉及到改造方案设计问题，当前可以利用计算机辅助设计，对改造方案进行优化，依靠第一步收集的资料以及分析出来的主要问题，确定设计参数，后续逐步优化。
第三步，分析改造限制条件，以便完善改造方案。包括机组结构、尺寸；机组容量；主轴以及其他部件强度；导叶开度；调速器容量；土建限制；飞逸转速等等。
第四步，进一步优化设计，包括转轮水利设计；内部流道流动分析，评估空化性能和效率；结构优化；如果条件允许可建立方案模型进行验证。
第五步，按照设计方案进行部件制造、安装以及运用，最后进行改造工作总结。
3改造实践
3.1项目概况
某县xx水电站建于上世纪80年代，建成投产以来，机组已经运行30多年，4台水轮发电机组，3台1250KW和1台1500KW。随着设备老化，机组效率低下。随着技术发展以及该电站尚有改造潜力，因此对水轮机进行技术改造。要求根据现有电站参数，不改变水轮机导水机构、转轮直径、装机高程等条件，更换转轮以及相关零部件，1250KW机组水轮机增容后要达到1575KW，最大水头处理1650KW。
按照要求在实际改造之前，论证了如下问题：渠道最大过水流量以及平时的过水流量均值。土建情况由于用钢筋混凝土结构建造引水压力管道，有着比较明确的流速要求，必须在4m/s以内，如果超出这个值，水力损失增大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆额定水头21m，装机容量6300KW，额定出力1575KW，单机流量8.7m³/s，总流量34.8m³/s，考虑现有条件能否满足这些参数要求。由于不改变导水机构，那么额定水头20.5m，总流量36.844m³/s，单机9.211m³/s，现有渠道是否能够容纳这么多流量。相关电器、控制保护装置论证，以满足增效扩容改造要求。
3.2改造方案
结合国内相关成功经验和水轮机改造成功机型分析得出，该电站比较适合的水头混流式模型转轮机型有两种：HL3689和HLD260，原水轮机为HL123型。
原水轮机额定参数如下水头21m，流量7.5m³/s，出力1330KW，转速250，单位转速65.47，单位流量1.137m³/s，额定点模型效率90.0%，修正值+1，点模型真效率91%，最高效率91.3%，转轮重量0.77t，吸出高度2.5m以内，机型总重量16.500t。拟采用的机型方案除额定水头以及吸出高度方面一致外，其余均有不同。
方案一：HL3689型，参数如下：流量8.56m³/s，出力1658KW，转速250，单位转速65.47，单位流量1.297m³/s，点模型效率93.2%，真效率94.2%，最高效率94.1%，转轮0.86t，总重17.5t。
方案二：HLD260型，参数如下：流量8.75m³/s，单位流量1.326m³/s，出力1658KW，转速300，单位转速78.56，点模型效率91.0，真机效率92.0%，最高效率93.5，转轮重量0.85t，总重17.5t。
比较这两种方案参数，均能满足发电需求，而且不影响效率，但也有比较明显的差别。
首先，方案一当每分钟250转运行时，出力为1575KW，流量8.56m³/s，效率为94.2%；而方案二中每分钟300转，出力一样为1575KW，流量8.75m³/s，效率92.0%。HL123型水轮机改造比较适用HL3689，因为其转轮是专门为改造而设计制造的优秀转轮。当以每分钟250转运行时效率比HLD260型效率要高2%，换一个角度来说，就是在要发出同等电量，用HL3689型要少用流量0.19m³/s，经济运行效益更好。
其次，方案一机型在每分钟250转运行时，空化系数0.185，而方案二在300转下工作系数则0.19。在现有条件限制下，转轮空蚀性能无法得到改善。空化系数决定检修周期长短，系数大检修周期短，反之则长，也就是说，方案一需要的检修次数要比方案二的少。很显然检修时需要停机，那么检修周期长的，优势就会很明显，可以多发电，电站的效益就高。
很多成功经验表明HL3689型转轮在250转每分钟工况下运行高效，安全且可靠，所以综合比选后选择方案一。
3.3要求及改造
首先更换转轮，按现有技术参数，综合计算分析和比较，采用方案一机型转轮。转轮材质为ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢，或是ZG20SiMn铸钢，用数控机床加工叶片。其次，更换主轴密封，以保证密封效果理想。第三，修复导叶，更新轴套，满足开度以及关闭密封性要求。第四，更换调速轴双臂和推拉杆，流量增大后导叶开口随之增大，必须更换双臂和推拉杆。第五，按照微机监控模式，配置自动化元件。第六，更换其他需要更换的零部件。
结语
随着技术的发展，早期建设的中小型水电站技术水平落后，加之设备老化等方面的原因，水电站多数存在发电效率低下，稳定性差等问题。针对中小型水电站水轮机进行增效扩容改造，对于合理利用水资源，提高发电效率，增加电站经济效益方面有着显著的作用。
参考文献：
[1]林举盈.浅析小水电站增效扩容改造[J].科技与企业，2016，06：230+233.
[2]文相.探究中小型水电站水轮机增效扩容改造方案[J].通讯世界，2016，16：267-268.
[3]田娅娟，王鑫，薛鹏，陈锐，彭忠年.中小型水电站水轮机增效扩容改造研究[J].水利水电技术，2014，02：40-42.
论文作者:胡萍
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/21
标签：水电站论文; 水轮机论文; 转轮论文; 效率论文; 方案论文; 流量论文; 水头论文; 《基层建设》2016年第34期论文;